Горячая линия Минздрава для вернувшихся из-за границы: 8 (351) 240-15-16. 
Оперативная информация по коронавирусу в мире, стране и регионе.

Челябинские и немецкие ученые создали нанотехнологию молекулярной биоэлектроники

6 Февраля 2018 Автор: Евгений Аникиенко Фото: Вячеслав Шишкоедов
Челябинские и немецкие ученые создали нанотехнологию молекулярной биоэлектроники

Возможно ли встроить электронные микросхемы в тело человека, чтобы те в режиме онлайн сообщали нам о состоянии организма?

Эту фантастическую, казалось бы, цель поставили перед собой челябинские ученые. Причем эти микросхемы будут работать на молекулярном уровне, а роль «анализатора» выполнять золотые наночастицы!

Одно из возможных применений — диагностирование рака и других болезней на ранней стадии и биокоррекция организма человека. Возможно, в перспективе появится возможность задействовать и механизм биоэлектрической активности мозга, который будет посылать сигналы в очаг болезни и сам себя лечить. Это и стало главной темой нашего разговора с одним из создателей прорывной нанотехнологии, доктором естественных наук (немецкая научная степень) Федором Подгорновым, сотрудником лаборатории молекулярной электроники ЮУрГУ.

Право или лево?

— Как вы пришли к этой идее?

— Этими исследованиями мы начали заниматься еще в Германии, в Техническом университете Дармштадта, с моим научным руководителем профессором Вольфгангом Хаазе, который теперь в рамках международной научной коллаборации возглавляет нашу лабораторию. Затем продолжил эту работу в ведущем мировом центре по изучению жидких кристаллов США, в Kent State University, что в штате Огайо. Этот НИИ возглавлял выходец из Украины профессор Олег Лаврентович, с которым мы исследовали эффекты электрокинетического движения частиц в жидких кристаллах и нанотехнологий в биологии и медицине. А в Кембриджском университете мне довелось участвовать в создании нанодисперных материалов для высокочастотной электроники и голографических дисплеев на жидких кристаллах.

— В чем новизна ваших ноу-хау?

— Мы изучаем взаимодействие наночастиц с так называемыми мезофазными материалами — жидкими кристаллами. И выяснили, что металлические наночастицы, взаимодействуя с ними, меняют как свой «оптический отклик», так и материалов матрицы.

Поясню, что хиральность — одна из особенностей природы, когда симметрия «правых» и «левых» объектов нарушается, как в зеркальном отражении, которое невозможно вращением совместить с «оригиналом». Типичные хиральные объекты — руки человека, а на молекулярном уровне — например, молекула ДНК.

Хиральные и ахиральные материалы по-разному взаимодействуют с поляризованным оптическим излучением. Если хиральную молекулу осветить электромагнитной волной, на электрическую поляризацию будут влиять и электрическая, и магнитная составляющие излучения. Разница коэффициентов поглощения светового излучения с разносторонней поляризацией не равна нулю.

— Что дает знание о лево- или правосторонней структуре вещества?

— Это явление уже применяют в биологии и фармацевтике для определения хиральности молекул. Его необходимо знать, например, при изготовлении новых лекарств, чтобы отделить правые молекулы от левых, поскольку они могут в корне различаться по своим свойствам. Так, кокаин с правыми молекулами — наркотик, а с левыми — безвредное вещество.

К слову, вроде бы одинаковые по химическому составу с оригинальными медпрепаратами подделки-джинерики могут «не лечить, а калечить», если у них правые элементы молекул в ходе химического синтеза замещены на левые. К примеру, в США в 60-х годах ХХ века из-за того, что на строение молекул производители лекарств поначалу не обращали внимания, у беременных женщин часто случались выкидыши.

Электроника «в теле»

— Как влияет на свойства жидких кристаллов добавление золотых наночастиц?

— У металлических наночастиц есть одна особенность. На их поверхности возбуждается поверхностный плазмонный резонанс, что приводит к их окрашиванию в самые разные цвета — желтый, красный, синий, зеленый… Цвет зависит от их размера. Особенность золота заключается в том, что это химически инертный металл, что позволяет его использовать в медицине. Именно поэтому разноцветные витражи с добавкой золота в церквах не выцветают столетиями!

Хиральная молекула — это своего рода молекулярная катушка индуктивности, а ахиральная — провод. Если к ней подвести наночастицу золота, происходит так называемая модуляция добротности. Это явление может найти применение для создания элементной базы в молекулярной электронике.

— Можно ли создать молекулярную катушку индуктивности?

— Мы доказали, что внедрение золотых наночастиц позволяет решить эту проблему. Подбирая молекулы с различными свойствами, мы сможем выстраивать электросхемы на молекулярном уровне. Этот подход позволяет создавать сверхкомпактные электронные схемы, которые можно интегрировать, например, в тело человека! Сегодня электроника уже вышла на наноуровень, но дальше с уменьшением размеров происходит существенная потеря энергии. Мы же исследуем кардинальное решение проблемы — использование молекул в качестве электронных компонент… Уже есть их предшественники — органические светодиоды. Я уверен: за молекулярной электроникой будущее.

Вживленный диагност?

— Где это может найти применение?

— Одна из возможных сфер применения — диагностирование и коррекция состояния организма человека. Это будет своего рода молекулярный фитнес-трекер — как популярный у спортсменов электронный браслет, отслеживающий нарушения здоровья. Онлайн-анализ параметров органов человека, активности головного мозга и контроль процессов, протекающих на молекулярном и клеточном уровне, позволит на ранней стадии выявлять опаснейшие заболевания, не доводя их до критической черты.

— Какие болезни, на ваш взгляд, можно будет лечить с помощью вживленного «молекулярного чипа»?

— Он может помочь с ранней диагностикой и лечением старческих болезней — Альцгеймера и Паркинсона. Это открытие может стать инструментом выявления дефектов ДНК, диагностики онкологических заболеваний, подведения лекарства к пораженным клеткам. К примеру, химиотерапия наносит вред и здоровым клеткам, а золотая наночастица, расплавленная лазером либо СВЧ-излучением, избирательно уничтожит только больные.

Доставить ее к пораженному очагу можно с помощью воздействия магнитным, электрическим полем. Уже проводятся эксперименты и с «запряжкой» сперматозоида: к нему прикрепляется «золотой рюкзачок», который срабатывает при подходе к раковым клеткам.

Спираль жизни

— А обладает ли мозг лечебной силой?

— Это пока тайна природы. Биомолекулярная технология может стать инструментом генной инженерии, помочь с лечением генетических заболеваний, связанных с нарушением структуры «спирали жизни» — ДНК.

Фундаментальная проблема ХХI века — расшифровать нейрокод человека. Не исключено, что в перспективе мозг, получив информацию от молекулярного диагноста, будет посылать излечивающий сигнал в очаг болезни, способствуя исцелению. Но пока человечество только на подходе к пониманию этой проблемы, и отказываться от традиционных методов лечения было бы антинаучно.

— Есть ли надежда  победить не только бактерии, но и бессмертные вирусы, в том числе ВИЧ?

— Недавно выяснилось, что наночастицы золота убивают вирусы «на пару» с редчайшим веществом — фуллереном, особой формой углерода, которую недавно обнаружили с помощью спектрального анализа в межзвездном пространстве (за это присуждена Нобелевская премия).

Этот метод может произвести революцию и в лечении рака головного мозга. Он защищен клеточной мембраной, которую трудно преодолеть, а в Бразилии ученые нашли решение проблемы, прицепив золотую наночастицу к жидким кристаллам.

«Золотой» глаз

— Сможет ли хиральный эффект вернуть зрение человеку?

— В какой‑то мере да. Когда сетчатка глаза повреждена, уже исследуется возможность создать ее искусственный заменитель из органической пленки с диспергированными золотыми наночастицами. Это не бионический глаз, а совершенно новая технология, которая может произвести переворот в офтальмологии.

— Как ваше открытие стыкуется с наукой о красоте?

— Вместе с доктором Вольфгангом Хаазе мы по заказу косметической компании Wella проводили исследования волос человека: оказывается, по их оптическим свойствам можно определить, из какого он региона планеты. Кроме того, нанотехнологии помогут избавиться от седины! Если в луковицу внедрить наночастицу золота, можно без всякой краски придать волосам любой цвет спектра! И он  уже не смоется!

«Молекулярный багаж» на Марс?

— Может ли крошечная «молекулярная капсула» помочь с выходом на космический масштаб?

— Эта технология вполне подходит для биоэлектроники, 3D-печати, которые сделают возможными, например, полеты на Марс. Взять с собой все необходимое невозможно из-за нехватки места, а молекулярные и нанотехнологии позволят вырастить любой объект.

Кроме того, молекулярная электроника может стать биологической альтернативой квантовому компьютеру будущего, применяться для хранения огромных массивов информации, сложнейших вычислений.

— И все-таки, какой, по вашему мнению, будет электроника будущего?

— Думаю, она будет сверхкомпактной, на нано- и молекулярном уровне организации материи.

Словом, возможности нашей технологии почти безграничны. Молекулярная биоэлектроника — лишь одна из ее возможных сфер применения, и кто знает, какие еще сюрпризы нам принесет взгляд в глубь микромира природы!




Вчера | 09:47
Мужское воспитание. Почему южноуральский инженер стал воспитателем в детском саду

Герман Кушнарев из села Кичигино Увельского района нашел свое призвание в воспитании детей.

30.05.2020 | 09:27
Каникулы особого режима. Как организовать детям отдых в период пандемии

В Челябинской области прозвучали, пусть и в режиме онлайн, последние звонки. Теперь южноуральских ребятишек ждут долгожданные три месяца каникул.

29.05.2020 | 18:47
Челябинская область оказалась в числе лидеров по вводу жилья

Высокие темпы жилищного строительства на Южном Урале в 2019 году отметили на федеральном уровне.

29.05.2020 | 18:13
Землю и здания бывшего МаГУ продают под застройку

На месте корпусов ликвидированного вуза вырастут жилые дома.

Новости   
Спецпроекты